Dziesięcioletnie dane BaBar pozwoliły na poprawę ograniczeń parametrów ciemnego fotonu • Mikhail Stolpovsky • Wiadomości naukowe na temat "Elements" • Ciemna materia, poszukiwanie nowej fizyki

Dziesięcioletnie dane BaBar pozwoliły nam poprawić ograniczenia parametrów ciemnego fotonu

Ryc. 1. Eksperyment BaBar, który pracował nad akceleratorem PEP-II w SLAC National Accelerator Laboratory w latach 1999-2008. Zdjęcie zostało wykonane podczas wyłączania akceleratora w przypadku zdarzeń technicznych. Kierunek wiązki cząstek przechodzi przez fotografa. Części detektora mionowego (na pierwszym planie) są rozsuwane, aby otworzyć dostęp do centralnej części obiektu. Głównym zadaniem naukowym eksperymentu było zbadanie symetrii CP w rozpadach mezonów B (patrz nowość Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki – 2008, "Elementy", 10.10.2008). PEP-II jest asymetrycznym zderzaczem elektronów i pozytonów. Konfiguracja eksperymentalna BaBar jest podobna do wielu innych instalacji zderzacza: beczkowatego systemu detektorów, który otacza kolizję wiązek cząstek. Instalacja jest zamknięta w dużym magnesie, który dzięki odchyleniu cząstek w polu magnetycznym umożliwia pomiar ich ładunku i pędu. Energia zderzenia dostosowana jest do masy mezonu B, co umożliwia uzyskanie ich z wysoką wydajnością. Ze względu na fakt, że wiązki elektronów i pozytonów mają nieco inną energię (słowa "zderzacz asymetryczny" mają na myśli tylko to), wygenerowane mezony B miały niezerowy puls w układzie współrzędnych detektora i łatwo było zmierzyć odległość, którą minęły czas ich życia. Zdjęcia z phys.org

W ostatnich latach pracy eksperyment BaBar zwrócił się ku poszukiwaniu wskazań na istnienie nowych cząstek, które mogłyby wypełnić luki w naszym rozumieniu Wszechświata. Od tego czasu minęło prawie dziesięć lat, eksperyment został zatrzymany, ale fizycy nadal badają zebrane dane. Ich analiza pomogła ulepszyć ograniczenia parametrów jednej z hipotetycznych nowych cząstek – ciemnego fotonu, który zgodnie z oczekiwaniami mógł wyjaśnić naturę ciemnej materii.

Ciemny foton

Obserwacje astronomiczne pokazują, że nasz Wszechświat składa się nie tylko ze zwykłej materii, ale także z ciemnej materii. Co więcej, ilość ciemnej materii, według szacunków, jest pięć razy większa niż ilość zwykłej materii. Ciemna materia manifestuje się jedynie poprzez oddziaływanie grawitacyjne: na przykład prędkości obrotowe galaktyk pokazują, że większość materii w nich jest niewidoczna (więcej na ten temat można znaleźć w artykule "Jak szukają ciemnej materii"). Ta niewidzialna część nazywamy ciemną materią. Istnieją różne hipotezy dotyczące jego natury. Jeden z najczęstszych sugeruje obecność cząstek, które nie są częścią Modelu Standardowego, które nie oddziałują ze zwykłymi cząstkami w inny sposób niż grawitacyjny (lub współdziałają, ale bardzo słabo).

Jak rozumiesz, fizycy nie mogli zostawić takiego błogosławionego osobnika i zaczęli próbować "wymyślać" jeszcze nie otwarte cząstki (fizycy badają ciemne siły i inne ciemne zjawiska, "Elementy", 01.04.2015). Zasugerowano, że cząstki ciemnej materii mogą wchodzić ze sobą w interakcje. Podstawą tego założenia jest odwieczne dążenie fizyków do opisu wszystkich zjawisk natury za pomocą jednego prawa. Ostatecznie byłoby dziwne, gdyby cząstki ciemnej materii były zasadniczo inne niż zwykłe, znajome cząstki Modelu Standardowego. Dlatego logiczne jest dostarczanie cząstek ciemnej materii o właściwościach podobnych do właściwości "lekkich" cząstek, a mianowicie do obdarzania ich zdolnością do wzajemnego oddziaływania. Nośnikiem tej interakcji jest tak zwany ciemny foton (R. Essig i in., 2013. Dark Sectors and New, Light, Weakly-Coupled Particles). Ta hipotetyczna cząstka otrzymała taką nazwę, ponieważ jest nośnikiem "ciemnego elektromagnetyzmu". Oznacza to, że jest podobny do zwykłego fotonu, ale działa tylko w przypadku cząstek ciemnej materii.

Zakłada się, że ciemny foton może "kinetycznie mieszać" – innymi słowy interakcję – ze zwykłymi, jasnymi fotonami.Ta interakcja, oczywiście, występuje niezwykle rzadko – w przeciwnym razie ciemna materia nie będzie ciemna. Ale przy wystarczających danych statystycznych można było to zaobserwować. Prawdopodobieństwo interakcji między ciemnymi fotonami i zwykłymi jest parametryzowane za pomocą bezwymiarowej stałej ε, która jest mniejsza, im słabsza jest interakcja. W szczególności, ciemny elektromagnetyzm powinien działać w ε2 razy słabsze niż normalne oddziaływanie elektromagnetyczne. Nie będziemy zagłębiali się w dyskusję na temat różnych modeli ciemnego fotonu. Powiemy tylko, że różni naukowcy próbują różnych podejść do swojego opisu: są to teorie strun i założenia dotyczące nowych symetrii fizyki cząstek itp. W różnych modelach szacuje się, że ε wynosi od 10−12 do 10−3. Te same modele przewidują masę ciemnego fotonu rzędu MeV-GeV.

Eksperyment BaBar, który pracował w SLAC National Accelerator Laboratory w latach 1999-2008, zebrał istotne statystyki dotyczące zderzeń elektronów z pozytonami, których analiza wciąż trwa. W ciągu ostatnich dwóch lat pracy BaBar szukał nowych cząsteczek, które rozszerzają model standardowy. Kiedy w 2009 roku zasugerowano, że istnieją ciemne fotony, zespół BaBar postanowił sprawdzić przewidywany efekt w swoich danych.Na podstawie danych uzyskanych w latach 2006-2008 udało się ustalić wystarczająco silne ograniczenia parametrów ciemnego fotonu. Podpis ciemnego fotonu w eksperymencie jest jednoznaczny: jeżeli ciemny foton narodził się w przypadku zderzenia cząstek w akceleratorze, to w detektorze należy obserwować jeden wysokoenergetyczny foton, bez żadnych innych cząstek. Pełne wydarzenie będzie wyglądało tak:

\ [\ begin % % e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma + A '\ \ phantom {e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma +! !} A '\ rightarrow \ chi \ bar \ chi \ end % \]

Oznacza to, że w zderzeniu elektronu i pozytonu (lewa część pierwszej reakcji) para pochodzi z fotonu (γ) i ciemny foton (A '), który następnie rozpada się na dwie ciemne cząstki materii (druga reakcja). Ani ciemny foton A 'ani cząstek ciemnej materii χ Nie podawaj sygnału w wykrywaczu. Pozostaje tylko jeden foton, który będzie decydującym sygnałem dla zdarzenia z ciemnym fotonem. Co więcej, foton musi mieć energię mniejszą niż energia zderzenia początkowych cząstek.

Wiadomo, jakie energie elektrony i pozytony są przyspieszane w zderzaczu. Możesz także zmierzyć całkowitą energię cząstek zarejestrowanych w czujce. Odejmując drugi od pierwszego, otrzymujemy utraconą masę, która następnie stworzyła cząstkę ciemnej materii.Jeżeli pik zostanie zaobserwowany w widmie utraconej masy, będzie to wskazywać na obecność wytwarzanych ciemnych cząstek. W ciągu ostatnich dwóch lat działalności BaBar zgromadził 35,9 funtów−1 dane, które pozwoliły nam uzyskać interesujące wyniki na temat ciemnych fotonów. Utracone widmo masowe pokazano na rys. 2

Ryc. 2 Na dole – widmo na kwadracie utraconej masy Mx2. Na osi pionowej pokazuje liczbę zdarzeń na każdy segment osi poziomej o szerokości 0,5 GeV2. Punkty z błędami – pokazano dane eksperymentalne, sygnał odpowiadający masie ciemnego fotonu wynoszącej 6,21 GeV czerwona linia, fioletowa linia przerywana – różne wydarzenia w tle, niebieska linia – pełny zakres. Powyżej – odchylenia danych od niebieskiej linii. Zaplanuj od artykułu w dyskusji Physical Review Letters

Szczyt na tym wykresie odpowiada hipotezie ciemnego fotonu o masie 6,21 GeV. Parametr ε takiego ciemnego fotonu byłby rzędu 10−3. Ale prawda nie oznacza, że ​​taki foton jest otwarty. Znaczenie tego piku wynosi 3,1σ. Symulacja pokazuje, że prawdopodobieństwo, że podobny pik pojawia się przypadkowo w spektrum, wynosi około 1%. Oznacza to, że globalne znaczenie zmniejsza się do 2,6σ.Tym, co jeszcze bardziej wątpi, że jest to w rzeczywistości sygnał z ciemnego fotonu, jest znaczenie sygnału w zależności od hipotezy o masie ciemnego fotonu, pokazanej na ryc. 3

Ryc. 3 Znaczenie piku ciemnego fotonu w jednostkach odchylenia standardowego σ w funkcji ciemnej masy fotonu mA '. Oczekuje się, że sygnał ciemnego fotonu będzie szczytem na tle ciągłym w widmie z Rys. 2. Nie wiadomo jednak, gdzie powinien się pojawić ten szczyt. Dlatego sprawdzane są wszystkie możliwe lokalizacje mierzonego widma. Znaczenie uzyskanych możliwych sygnałów ciemnego fotonu pokazano na tym wykresie. Na przykład na rys. 2 znajduje się punkt wznoszący w rejonie 48 GeV2 (masa, odpowiednio, nieco mniej niż 7 GeV). Jeśli uznamy ten punkt za pik ciemnego fotonu, to jego statystyczna istotność będzie – patrzymy na ten wykres – tylko nieco więcej niż jedno odchylenie standardowe. Widać, że szczyt na poziomie 6,21 GeV jest najbardziej prawdopodobny, ale nie jedyny możliwy. Zaplanuj od artykułu w dyskusji Physical Review Letters

Zrozumiałe jest, że gdy istnieje wiele wskazówek na temat ciemnych fotonów, ich wiarygodność maleje. Zespół BaBar zrobił wszystko, co możliwe, aby wziąć pod uwagę możliwe wydarzenia w tle.Na przykład elektron i pozyton mogą latać obok siebie wraz z narodzinami pojedynczego fotonu – takie wydarzenie da sygnaturę przypominającą ciemny foton. Biorąc pod uwagę ograniczone statystyki i dostępne błędy systematyczne, ciemnego fotonu w eksperymencie BaBar nie znaleziono.

Nie należy jednak myśleć, że skoro ciemnego fotonu jeszcze nie znaleziono, nie ma żadnych wiadomości. Praca wykonana na BaBar otwiera okno na inny ciekawy temat fizyki, a jeszcze więcej na poniższym.

Moment magnetyczny mionu

Profesor Michael Roney (Michael Roney), oficjalny mówca BaBar, opowiada o omawianej pracy: "Chociaż nie obala istnienia ciemnych fotonów, wyniki BaBar ograniczają ich prawidłowe parametry i jednoznacznie obalają wyjaśnienie za pomocą ciemnych fotonów innej intrygującej łamigłówki związanej z właściwościami innej subatomowej cząsteczki znanej jako mion". Pozwól nam wyjaśnić, co to jest misterium z mionem.

Muona można sobie wyobrazić jako mały magnes, który również obraca się wokół własnej osi, podobnie jak wierzchołek (jest to analogia do obrotu mionu). Siła magnesu i prędkość jego obrotu określają jego współczynnik żyroskopowy. W pierwszym przybliżeniu wartość g powinna być równa 2.Jednakże, gdy weźmiemy pod uwagę moment żyroskopowy mionu, różne procesy interweniują w materię, z których niektóre przedstawiono na ryc. 4

Ryc. 4 Przykłady znanych procesów, które zmieniają moment magnetyczny mionu. Diagramy należy czytać po lewej (która była pierwsza) po prawej (co się stało na końcu). Powyżej Każdy diagram pokazuje foton przedstawiający wpływ zewnętrznego pola magnetycznego na mion. Najpopularniejszy (i najprostszy) proces pokazano na schemacie. a): mion leci w górę, wchodzi w interakcję z fotonem i odlatuje. Ale oprócz tego możliwe są procesy, w które zaangażowane są cząstki wirtualne. b) – wkład z wirtualnego fotonu, który został wyemitowany przez mion do interakcji z zewnętrznym polem i wchłonięty po, c) – wkład słabej interakcji, d) – polaryzacja hadronowa hadronów, e) – światło Hadrona rozpraszające światło. Obraz z W. Gohn, 2016. Eksperyment Mono g-2 w Fermilab, z modyfikacjami

Problem polega na tym, że nawet biorąc pod uwagę te procesy, zmierzona wartość momentu magnetycznego mionu nie zgadza się z wartością teoretyczną. Wartość uzyskana w eksperymencie E821 (ostatni eksperyment mierzący moment magnetyczny mionu) opublikowana w ich ostatnim dziele z 2006 roku (G. W. Bennett i in., 2006.Końcowy raport pomiaru momentu magnetycznego Muon E821 w BNL), niewiele różni się od przewidywania Modelu Standardowego: zmierzona wartość g różni się od przewidywań teoretycznych tylko w 8 miejscach dziesiętnych. Jednak znaczenie odchylenia w tym przypadku wynosi 3,6σ. Jest to dość poważna wskazówka, że ​​anomalny moment magnetyczny mionu jest rzeczywiście anomalny (pamiętajmy, że odkrycie uważa się za wymagające odchylenia 5σ).

Co może wskazywać na anomalny moment magnetyczny mionu? W artykule z 2016 r., Eksperyment muon g-2 w Fermilab, lista możliwych wyjaśnień jest następująca: supersymetria i inna nowa fizyka, a także – kto by pomyślał? – ciemny foton!

Wróć do BaBar. Na rys. 5 pokazuje ograniczenia w fizyce ciemnego fotonu.

Ryc. 5 Ograniczenia wartości ε dla ciemnych fotonów, w zależności od ich masy. Obszar pomarańczowy wykluczone w eksperymentach E787 i E949 na rozpadach kaonu (S. Adler i wsp., 2002. arXiv: hep-ex / 0111091, A. V. Artamonov i wsp., 2009. arXiv: 0903.0030), niebieski obszar wykluczone przez pomiary momentu magnetycznego elektronu (G. W. Bennett i in., 2006. Raport końcowy pomiaru momentu magnetycznego Muon E821 w BNL), niebieski – w eksperymencie NA64 (D. Banerjee i in., 2017. Szukaj niewidocznych decyzji Sub-GeV w CERN SPS). Zielony obszar wykluczone w omawianym dziele w ramach eksperymentu BaBar. Na czerwono pokazuje zakres ε (z przedziałem 5 odchyleń standardowych), który mógłby wyjaśnić anomalny moment mionu przy użyciu ciemnych fotonów.Rysunek z omawianego artykułu w Physical Review Letters

Jeśli istniał ciemny foton o masie i ε odpowiadający czerwonemu regionowi na ryc. 5, mógł wyjaśnić anomalną wartość momentu magnetycznego mionu. Jest jednak oczywiste, że nowe dane BaBar całkowicie wykluczają ten obszar. Oznacza to, że możemy wykreślić ciemny foton z listy procesów wyjaśniających anomalię magnetycznego momentu mionu. To znaczy albo musisz szukać w dziedzinie supersymetrii, albo wymieszać tu jakiś idealny egzotyczny.

Co dalej?

Aby przeprowadzić dokładny pomiar anomalnego momentu magnetycznego mionu, uruchomiono eksperyment Muon g-2 (wymawiane "mion ji-minus-tu"), który znajduje się w Fermilab. Nazwa eksperymentu oznacza, że ​​mierzy odchylenie g od dwóch. Eksperyment Muon g-2 powinien uzyskać więcej statystyk pomiarów niż eksperyment E821, z mniej systematycznymi błędami. W rezultacie, jeśli odchylenie zostanie potwierdzone na obecnym poziomie, różnica między teorią a eksperymentem osiągnie 7,5σ i stanie się krytyczna.

Ryc. 6 Eksperyment Muon g-2. Jego główną częścią jest nadprzewodzący magnes pierścieniowy o bardzo jednolitym polu.Pęczek mionów z równo skierowanymi obrotami jest wysyłany na ring, gdzie plecy zaczynają wędrować z boku na bok – zaczyna się precesja. Siła tego wahania zależy bezpośrednio od parametru g. Miony rozkładają się do pozytonu i dwóch neutrin, a wartość stosunku żyMemogramu mionu g może być mierzona energią pozytonów i ich liczbą w zależności od czasu po wprowadzeniu wiązki do pierścienia. Zdjęcia z en.wikipedia.org

Eksperyment Muon g-2 rozpoczął się tego lata. Z niecierpliwością czekamy na jego wyniki, ponieważ mogą potwierdzić lub zamknąć okno na nową fizykę. Oczywiście chcę potwierdzić anomalię. Tutaj sytuacja przypomina kilka miesięcy przed odkryciem bozonu Higgsa (patrz news bozon Higgsa: odkrycie i plany na przyszłość, "Elements", 16.07.2012), kiedy fizycy świadomi zbliżającego się odkrycia przyznają sobie nawzajem, że byłoby lepiej nie przewidywaną cząstkę, ponieważ w tym przypadku Model Standardowy zostanie ukończony, a przełom w Nowej Fizyki zostanie odroczony na czas nieokreślony. Nie, nikt nie chciał, żeby bozon Higgsa nie był wielkim odkryciem. Ale chcę czegoś nowego! Anomalny moment magnetyczny mionu jest obiecującym efektem, który może zmienić całą współczesną fizykę. Warto jednak być ostrożnym w oczekiwaniach.Na przykład ostatnia cząstka o masie 750 GeV, która została również przewidziana w odniesieniu do Nowej Fizyki, okazała się błędem statystycznym.

Tymczasem eksperyment Belle II jest w przygotowaniu w Japonii. Pierwsza Belle (lub pierwsza? – ponieważ po francusku belle oznacza "piękno") uczestniczył w odkryciu naruszenia symetrii CP w rozpadach mezonów B, które BaBar również robił w tym samym czasie. Ta praca pomogła zweryfikować podstawy modelu standardowego. Kto wie, może Belle II pomoże teraz rozluźnić podstawy i otworzyć ciemny foton? Zobaczymy. Na razie zauważamy, że poszukiwanie Nowej Fizyki jest jednym z priorytetów Belle II. Detektor eksperymentu w kwietniu tego roku został zainstalowany na akceleratorze SuperKEKB, a jego uruchomienie zaplanowano na początek 2018 roku.

Ryc. 7 Eksperyment Belle II (schemat po lewej), kontynuacja eksperymentu Belle, japońskiego brata bliźniaka z eksperymentu BaBar: podobnego eksperymentalnego układu z tymi samymi zadaniami, również na asymetrycznym zderzaczu elektron-pozyton, ale o większej czułości, i na akceleratorze SuperKEKB o większej jasności. Mapy z phy.olemiss.edu i rjs.phys.uvic.ca

Źródło: J. P. Lees i in. (BaBar Collaboration). Szukaj Invisible Dark Photon Produkowane w e+e Zderzenia w BaBar // Physical Review Letters. 2017. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.131804. (Dostępny jest artykuł preprint arXiv: 1702.03327 [hep-ex]).

Michaił Stolpovsky


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: